带挡浪墙斜坡堤在满足越浪要求下的高程优化试验研究

戈龙仔,管 宁 ，陈汉宝，彭 程

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

1 概 述

港口工程中挡浪墙的顶高程主要由潮位和波浪爬高确定，目前海岸工程逐渐向外海浪大、掩护条件较差区域发展，往往会设置高大挡浪墙以控制越浪。建成后的海堤完全避免越浪将会使堤顶高程增大，虽然对陆域进行了有效防护，但绵长的高墙环绕，观感差、压抑，尤其在较小的场所，感觉尤甚。以往的设计主要考虑防浪功能要求，波浪稍大的海域，防浪挡浪墙高出地面多达3～5 m，近年来，离岸人工岛建设工程越来越多，大多以休闲观光、旅游和房地产开发为目的，对环境、生态和景观的要求越来越高。如不能保持景观特色、提高人的感观，不利于项目开发，提高土地价值，甚至丧失开发价值，因此在大部分工程设计过程中一般考虑允许部分越浪，即在满足越浪量要求条件下，通过采用调整不同堤顶型式和改变堤迎浪侧形式，得到在满足越浪要求前提下，堤顶高程又合理，显得尤为重要[1-2]。对于防波堤高程的设计标准和依据，参考《防波堤设计与施工规范》(JTS154-1-2011)第4.1.3节和5.12节可进行设计，另外通过以往大量物理模型结果也总结出经验公式，即在不越浪的情况下，挡浪墙高程设计值为设计高水位加1.75倍H13%(重现期50 a)。但由于高程的确定需要结合当地波浪条件来确定，而波浪引起的越浪是导致高程调整主要因素，越浪量本身的因素非常多，主要有海堤断面形式、堤顶高程、堤前水深、堤前地形、波浪要素、风速、风向、堤的渗透性、挡浪墙的形式等[3-4]，导致越浪问题非常复杂，因此根据不同工程的实际情况，可采取不同优化措施。本文以厦门港后石港区中利石化5万t级码头护岸工程项目为例，探讨降低挡浪墙高程和控制越浪的设计优化论证，开展了波浪断面物理模型试验[5]，得到结果可为设计人员在类似工程设计时提供参考。

2 工程概况

2.1 工程及试验简介

图1 工程平面布置Fig.1 Plan scheme of harbor

厦门港后石港区位于福建省南部沿海的厦门湾西南侧，龙海市港尾岛美村，护岸断面为拟建中利石化码头工程，其后方东护岸长度为505 m，平面见图1，结构采用带挡浪墙的块体护面斜坡式结构，堤前泥面高程为-7.0 m，堤顶高程为+10.0 m，采用5 t扭王字块护面，护面坡度1:2；采用300～500 kg块石作为垫层；护底块石重量为80～100 kg，块石端部坡度为1:2，挡浪墙采用现浇混凝土，形状为“L”型，挡浪墙前平台宽为9 m，安放5排扭王字块；后方陆域高程为+8.5 m，护岸断面结构见图2。试验在波浪水槽中进行，试验模型按重力相似准则设计，结构断面尺寸满足几何相似，根据试验场地、现有块体质量及试验要求，模型选用几何比尺为31.5，时间比尺为5.61，力比尺为31 255.9。试验采用不规则波，波谱为JONSWAP 谱[6]。试验波要素见表1。

表1 波浪试验条件Tab.1 Wave conditions

2.2 工程允许越浪量标准提出

图2 护岸设计断面Fig.2 Layout of revetment section

越浪量研究工作主要通过模型试验来确定。堤顶越浪可能产生的不利影响主要表现在两方面：(1)危及堤体和堤后结构的安全；(2)危及建筑物的功能性安全，亦即影响到建筑物使用功能的发挥，其中尤以堤顶通道的交通安全为主。参考日本海堤护岸的越浪受灾界限[7]和美国陆军工程师兵团编著的《海岸工程手册》中提出的平均越浪量界限[8]，校核工况：本工程按“岸坡(墙)后无护面的护岸工程”考虑，在100 a一遇潮位叠加50 a一遇相应波浪组合作用下，越浪量≤0.05 m3/m·s确保护岸结构不致后方受严重冲刷而导致挡浪墙失稳受破坏。

3 试验结果与分析

3.1 设计断面试验

表2 极端高水位 不同堤顶高程越浪结果Tab.2 Overtopping results of different crest elevation under extreme high water level

极端高水位+7.14 m重现期50 a波浪作用，虽然挡浪墙前设有一个9 m宽的扭王字块平台(5个块体)，但爬高至平台上的水体能量很难在短时间内减弱，因而波浪越过较低挡浪墙产生越浪见图3，测量其越浪量为0.073 3 m3/m·s，不满足越浪量的要求。但对于挡浪墙稳定性，由于其前方受块体掩护(胸墙顶高出块体0.51 m)及越堤能量损失，因此在波浪连续作用后，稳定。

由于设计高程不满足越浪要求，因此模型上通过在挡浪墙顶逐级加木条的方法，测量其越浪量结果，见表2。

3.2 堤顶结构优化断面一试验

为满足越浪量的要求，且考虑到后方设施的重要性以及陆域宽度，对堤顶进行结构优化，将堤顶高程由+10.0 m修改为+11.0 m，形状由L型修改为反弧型，挡浪墙前平台由9 m缩减5.4 m(块体由5排缩至3排)，优化后断面一见图4。

图3 设计断面堤顶越浪情况 图4 优化断面一结构设计情况Fig.3 Overtopping condition on design section Fig. 4 Structure design of optimized section one

在极端高水位重现期50 a波浪作用下，反弧型挡浪墙减小越浪效果明显，测量越浪结果为0.034 6 m3/m·s，通过试验观测由于越浪量的减少，且迎浪侧肩台宽度减少，因而入射波浪能量全部集中于反弧型迎浪面见图5-a，波浪连续冲击作用下，反弧型挡浪墙后倾失稳见图5-b，说明越浪减小了，而胸墙受力，即在入射总能量不变的条件下，越入堤后能量变小，则作用在挡浪墙的能量变大，由于结构本身不稳定，因此继续对设计断面进行优化。

5-a 堤顶越浪反射回海测 5-b 反弧型挡浪墙失稳图5 波浪被返回至海侧和挡浪墙失稳情形Fig.5 Situation of wave returned to the seaside and parapet unstable

3.3 堤坡度优化二试验

由于反弧型挡浪墙受力失稳，因此仍在设计断面(L型挡浪墙)的基础上进行优化，根据以往研究成果[9]，考虑将迎浪侧护面坡度1:2修改为1:1.5，其他均与设计断面相同即优化断面二见图6-a。

6-a优化断面二结构设计 6-b堤顶越浪情况图6 优化断面结构设计和堤顶越浪情况Fig. 6 Situation of structure design optimized section and overtopping condition levee crest

在极端高水位重现期50 a波浪作用下，测量此时越浪量为0.087 m3/m·s，越浪量也超过允许标准。与设计断面相比较，随着护面坡度变陡后，护面对波浪的消能面减小，以及堤前反射增加，波浪作用时堤顶越浪也相应的增加，越浪现象见图6-b，同样模型上通过在挡浪墙顶逐级加木条的方法，测量其越浪量结果，见表3。由该优化断面越浪量结果可知，如果要满足越浪的要求，则需要将堤顶高程加至+10.5 m以上。

表3 优化断面2极端高水位不同堤顶高程越浪结果Tab.3 Overtopping results of different crest elevation under extreme high water level for optimized section two

3.4 挡浪墙前增加护面块体优化三试验

考虑到优化断面二，斜坡变陡有利于减少堤心石的用量，因此在此优化方案的基础上，加高挡浪高程至10.8 m，即优化断面三。

在极端高水位重现期50 a不规则波作用下，测量其越浪量为0.050 7 m3/m·s(优化断面二中模型上通过加木条方法至+10.8 m高程时测为0.045 m3/m·s)，分析主要原因为模型上是通过垂直加木条的方法至+10.8 m高程，而优化断面3挡浪墙的迎浪侧为斜坡所致。优化断面三越浪量仍大于所要求的0.05 m3/m·s指标，与设计沟通和以往试验研究成果，进一步在该优化方案胸墙前方两排扭王字块上再安放2排(即为两层)见图7-a。

极端高水位重现期50 a波浪作用下，测量其越浪量为0.039 2 m3/m·s(即达到小于0.05 m3/m·s要求)，水体跌落最远距离为6.38 m见图7-b。另外，波浪连续作用后，断面各部分均保持稳定。根据上述试验结果，优化断面三满足设计要求。

为了保障后方陆域宽度，对挡浪墙前肩台的宽度进一步缩短优化试验，依次由5块护面块体减至4块和3块两种方案，在极端高水位重现期50 a波浪作用下，测量其越浪量分别为0.047 9 m3/m·s和0.051 7 m3/m·s，后者略大于允许越浪量，且根据以往研究成果[10-11]，二维水槽断面试验越浪量结果比三维整体试验所测越浪量结果大于20%～30%，三维整体试验从模拟的波浪传播方向和地形浅水变形更接近实际波浪情况，因此肩台采用3块护面块体方案，越浪量是可以接受的，且两种工况在波浪连续作用后，断面各部分均保持稳定。

从上述各断面优化过程看，挡浪墙顶高程的提高、前肩台宽度增加和弧形形状均对减少越浪量有利，其中反弧型挡浪墙受力大，本身结构易失稳，对于反弧型挡浪墙受力大，工程上常采用增设泄压孔方式，但本工程提出顶高程和迎浪侧肩台宽度是主要改善措施方向。试验表明，肩台宽度越大越浪量越少，试验中分别对3块、4块和5块扭王字块分别进行试验，当肩台摆放5块时越浪量是最小的，同时对投资增加也有限，因此，设计断面选用肩台为5块布置作为最终断面。依据评审专家意见要适当考虑海平面上升的影响，越浪量需有一定富裕度，同时为了增强海堤对越浪水体的抗冲刷能力，在挡浪墙后设置了抗冲刷块石。

3.5 减少越浪量工程措施提出

为了减少堤顶越浪量，依据上述试验成果以及作者所进行其它工程过程中研究成果[12-13]，统计目前工程可能采用措施见表4，当然考虑作者的水平和经验有限，可能不限于以下措施。

表4 减少越浪量措施优缺点对比Tab. 4 Comparison of advantages and disadvantages for measures to reduce overtopping

4 结语

通过对在较低的高程满足越浪量和稳定性的要求，运用波浪断面物理模型试验，对堤顶和设计断面结构优化等措施进行了对比研究，可得以下结论：

(1)挡浪墙顶高程的提高、挡浪墙前肩台宽度增加和优化挡浪墙弧形断面均对越浪量减少有利，其中反弧型挡浪墙受力大，本身结构易失稳，对于反弧型挡浪墙受力大，工程上常采用增设泄压孔方式。本工程提出加高程和变肩台宽度是改善越浪措施的方向，最终得到稳定断面。

(2)由研究成果总结，提出了一些工程上采用减少越浪量的实用措施。

(3)对重要建筑物或级别较高的海堤或护岸进行顶高程等设计时,均要进行物理模型试验来测定越浪量的数值，使海堤或护岸的设计满足使用要求、结构安全且经济合理。